大型气囊隔振装置控制方案比较分析

王利伟



大型气囊隔振装置控制方案比较分析

王利伟

（91404部队91分队，河北秦皇岛066001）

对气囊隔振装置的压力分布进行了分析，以气囊压力分布的方差最小为约束条件，在保证气囊隔振装置的高度的控制精度前提下，实现压力优化分布，将多气囊分组连通进一步简化系统优化压力分布，通过压力传感器比较理论压力与实际压力值，对气囊充气，直到满足额定工作高度。

连通 等效气囊 控制 优化

0 引言

大型气囊隔振系统采用刚度较小、姿态可调、固有频率较低的气囊作为隔振元件。气囊隔振系统用在船用柴油发电机的减振降噪上，其减振效果十分理想，该隔振装置的加速度振级落差可达40 dB。为了发挥良好的隔振性能，又能保证轴系对中连接、管路和机组间刚性连接、连接管路的变形等。则必须使隔振系统保持高度上的控制精度，控制高度就是控制气囊压力，即通过自动充气，维持各气囊的一个最佳压力分布，是控制策略要解决的重要问题，这对于延长气囊寿命，提高装置的安全性与可靠性具有重要意义。

由于需要支撑大型设备，气囊的额定承载量是有限的，这样就需要多个气囊来共同支撑，多气囊充气控制方案的优化很关键。

1 气囊布置图

图1气囊隔振系统气囊布置简图(●表示位移传感器)

2 气囊隔振系统力学分析

为了使隔振装置达到平衡，气囊的压力分布必须满足两个力矩平衡方程和一个力平衡方程：

图2气囊隔振系统侧视图

由于16个气囊是同一型号的产品，其物理特性基本一致，因此，当气囊的高度相同时，各个气囊的有效面积基本一致。显然，当所有气囊的高度均为时，气囊支持力与压强。之间有如下关系：

由式（5）可知，当隔振系统在一定高度下稳定时，无论各气囊压强怎样分布，所有气鞋压强之和是一个常数G/S。

由上可知，方程（3）可以化为

装置的重量和重心位置是已知的，气囊的安装位置也是事先确定的，因此，就可以建立一个固定于重心的直角坐标系，得出各气囊的坐标。在解上述方程组中，16个气囊的压强P是未知数，显然该方程组（1）（2）（6）有无穷多组解。为了使气囊的压力分布尽可能均匀，对气囊的压力分布施加方差最小的约束条件，即：

利用Matlab的最小二乘优化函数lsqlin，就可以计算出一组特定的压力分布[,，…，]，它们的方差最小。

3 气囊隔振系统控制策略

在保证气囊隔振系统高度上的控制精度的同时，如何实现多个气囊的压力最佳分布，这是控制策略要研究的重要问题。

本文主要思想是通过理论计算，得出一个最佳的压力分布，得到各气囊压力的理论值，将理论值与压力传感器测得的实际值比较，对压力小于理论值的气囊进行充气，直到测得满足额定高度就停止充气。其主要程序流程如图3所示。

图3 控制策略流程图

4 控制方案比较

16个气囊的支撑，其中某一个气囊充放气，则装置的改变量会很小，或者说不满足变化最小量，若两个或更多气囊同时进行充气或同时进行放气，则装置高度改变量要明显，但为了考虑控制精度，同时进行充放气的气囊也不能太多，本装置选用两个，以重心为参考点，布置在X轴方向上重心的同侧，这样当装置发生倾斜时既可以及时扶正，又能快速达到规定高度。

由于同时进行充气或者同时进行放气，所以进行了连通。

16个气囊连通后变成8个虚拟的等效气囊，如图4所示

图4 连通后的等效气囊布置简图

这样每个气囊都采用单独控制充放气的气动单元，可以改进到每个气动单元同时控制两个气囊，则气动单元由16个就可以减少到8个，简化了系统的组成，控制数据通道也由16路变为8路，提高了达到额定高度系统反应所需时间，提高了系统的可靠性，更进一步对气囊隔振装置的动态控制提供了控制依据。

5 计算

以图1所示的系统为实验对象，隔振系统的额定工作高度为200.0mm，已知：

G/S==28.8 MPa

对气囊的压力分布施加方差最小的约束条件时，可以计算出装置在额定高度处平衡时，16个气囊压力方差最小的压力分布，如图5。

图 5 16个气囊压力分布（方差6.400403）

那么连通计算时除了方差最小外，还增加了约束条件：

16个气囊压力分布，图6是计算结果。

计算值对比图5和图6。不连通的图5压力分布方差为6.400403，连通的图6压力分布方差为6.048896。方差越小波动越小，则连通时好。

图 6 16个气囊压力分布(方差6.048896)

更进一步，去掉图1中的1号气囊后，用剩下的15个气囊在保证装置高度控制精度的同时，实现了15个气囊压力方差最小的压力分布，计算值对比图7和图8。连通的图7压力分布方差为16.02627，不连通的图8压力分布方差为6.8936.则不连通时好，若选择采用连通等效气囊布置，则应在2号气囊增加截止阀。

图 7 15个气囊压力分布（方差16.02627）

图 8 15个气囊压力分布（方差6.8936）

6 结论

气囊隔振装置由于有多个气囊的支承，其压力分布具有一定的不确定性，如何使装置既能保持高度上控制精度，又能使气囊压力保持一个最佳的分布，这对装置稳定可靠的运行具有重要意义。本文采用连通式等效气囊的控制方案简化了气囊控制系统的组成，减少应用造价，同时也提高了系统的可靠性，缩短了装置平衡稳定时间。连通后压力方差小于不连通，则压力分布更均匀，延长了气囊使用寿命。

参考文献：

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Control Method of Large Airbag Vibration Isolation Equipment

Wang Liwei

(No.91404 Unit of PLA, Qinhuangdao 066001, Hebei, China)

TP212

A

1003-4862（2016）08-0033-03

2016-03-07

王利伟（1981-），男，工程师。研究方向：船舶动力装置振动与噪声控制。